聲波

2019-11-10 18:06:06

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聲波

（物理名詞）

編輯發聲體產生的振動在空氣或其他物質中的傳播叫做聲波。聲波借助各種介質向四面八方傳播。聲波是一種縱波，是彈性介質中傳播著的壓力振動。但在固體中傳播時，也可以同時有縱波及橫波。中文名聲波外文名Sound Wave，Acoustic Wave產生物體（聲源）振動實質機械波

簡介

編輯聲波（Sound Wave 或 Acoustic Wave）是聲音的傳播形式。聲波是一種機械波，由物體（聲源）振動產生，聲波傳播的空間就稱為聲場。在氣體和液體介質中傳播時是一種縱波，但在固體介質中傳播時可能混有橫波。人耳可以聽到的聲波的頻率一般在20Hz（赫茲）至20000Hz之間。聲波可以理解為介質偏離平衡態的小擾動的傳播。這個傳播過程只是能量的傳遞過程，而不發生質量的傳遞。如果擾動量比較小，則聲波的傳遞滿足經典的波動方程，是線性波。如果擾動很大，則不滿足線性的聲波方程，會出現波的色散，和激波的產生。

表現為可視化波形的聲波聲音始于空氣中的振動，如吉他弦、人的聲帶或揚聲器紙盆產生的振動。這些振動一起推動鄰近的空氣分子，而輕微增加空氣壓力。壓力下的空氣分子隨后推動周圍的空氣分子，后者又推動下一組分子，依此類推。高壓區域穿過空氣時，在后面留下低壓區域。當這些壓力波的變化到達人耳時，會振動耳中的神經末梢，我們將這些振動聽為聲音。^[1]

種類

編輯按頻率分類，頻率低于20Hz的聲波稱為次聲波；頻率20Hz~20kHz的聲波稱為可聞聲；頻率20kHz~1GHz的聲波稱為超聲波；頻率大于1GHz的聲波稱為特超聲或微波超聲。

與正弦波、沖擊波、縱波的聯系

編輯

與正弦波的關系

正弦波是最簡單的波動形式。優質的音叉振動發出聲音的時候產生的是正弦聲波。

這是聲波的震蕩波形。正弦聲波屬于純音。任何復雜的聲波都是多種正弦波疊加而成的復合波，它們是有別于純音的復合音。正弦波是各種復雜聲波的基本單元。

與沖擊波的區別

請注意，聲波不是沖擊波，聲波前進的過程是相鄰空氣粒子之間的接力賽，它們把波動形式向前傳遞，它們自己仍舊在原地振蕩，也就是說空氣粒子并不跟著聲波前進！同樣，在語音研究中要區分氣流與聲波，它們是兩回事。在發音器官里，聲帶、舌尖或小舌的顫動，以及輔音噪聲的形成等，都離不開氣流的作用，但是氣流不是聲波的代名詞。所謂“*濁音氣流”、“*清音氣流”的說法似乎包含了極其含混的意思。另外，即使沒有其他聲源體的作用，空氣粒子總是在做無規則的震蕩，或者說它們總是在騷動，它們激發起微弱的“白噪聲”。絕對靜寂的大氣空間是不存在的。所謂背景噪聲還包括自然界或人類生活環境里許多聲源體雜亂的聲音，對于言語交際來說它們沒有信息價值。居室四壁或陡峭的山坡還有回聲效應，噪聲被放大、被增強了。言語聲和它的滯后的回聲疊加在一起，變成復雜的回響聲。電聲儀器設備里也都有白噪聲。那種沒有通信價值的噪聲很強烈的時候人們會心煩意亂。有意思的是，在噪聲極小的消聲室待久了，人會感到不安寧。音樂中恰當使用沙錘之類的噪聲帶來的是藝術欣賞價值。人類語言里的許多輔音都包含噪聲，它們很重要，能夠起區分輔音的作用。

與縱波的關系

“聲源”在空氣中振動時，一會兒壓縮空氣，使其變得“稠密”；一會兒空氣膨脹，變得“稀疏”，形成一系列疏、密變化的波，將振動能量傳送出去。這種媒介質點的振動方向與波的傳播方向一致的波，稱為“縱波”。不過要注意，聲波雖然一般是縱波，但在固體中傳播時，也可以同時有縱波及橫波，橫波速度約為縱波速度的50%~60%。在空氣中的聲波是縱波，原因是氣體及相當多的液體（合稱流體）不能承受切力，因此聲波在流體中傳播時不可能為橫波；但固體不僅可承受壓（張）應力，也可以承受切應力，因此在固體中可以同時有縱波及橫波。地震波其實就是在地殼中傳播的聲波（確切講是次聲波），只是它的頻率通常不在我們可聽聞的范圍內（某些動物則聽聞得到）雖然次聲波看不見，聽不見，可它卻無處不在．地震、火山爆發、風暴、海浪沖擊、槍炮發射、熱核爆炸等都會產生次聲波，科學家借助儀器可以“聽到”它。

傳播

編輯

傳播介質

除了空氣，水、金屬、木頭等彈性介質也都能夠傳遞聲波，它們都是聲波的良好介質。在真空狀態中因為沒有任何彈性介質，所以聲波就不能傳播了。

傳播原理

揚聲器、各種樂器以及人和動物的發音器官等都是聲源體。地震震中、閃電源、雨滴、刮風、隨風飄動的樹葉、昆蟲的翅膀等各種可以活動的物體都可能是聲源體。它們引起的聲波都比正弦波復雜，屬于復合波。地震產生多種復雜的波動，其中包括聲波，實際上那種聲波本身是人耳聽不著的，它的頻率太低了(例如1Hz)。人對聲音的感覺有一定頻率范圍，大約每秒鐘振動20次到20000次范圍內，即頻率范圍是20Hz~20000Hz，如果物體振動頻率低于20Hz或高于20000Hz人耳就聽不到了，高于20000Hz的頻率就叫做超聲波，而低于20Hz的頻率就叫做次聲波。所以說不是所有物體的振動所發出的聲音我們都能聽到的。另外要能聽到聲音也必須有傳播聲音的介質。聲波是大氣壓力之外的一種超壓變化。空氣粒子振動的方式跟聲源體振動的方式一致，當聲波到達人的耳鼓的時候就引起耳鼓同樣方式的振動。驅動耳鼓振動的能量來自聲源體，它就是普通的機械能。不同的聲音就是不同的振動方式，它們能夠起區別不同信息的作用。人耳能夠分辨風聲、雨聲和不同人的聲音，也能分辨各種言語聲，它們都是來自聲源體的不同信息波。

波形測量

編輯

左側為單個周期；右側為完整的 20 Hz 波形幾個測量值描述了波形：1.振幅反映從波形波峰到波谷的壓力變化。高振幅波形的聲音較大；低振幅波形的聲音較安靜。2.周期描述單一、重復的壓力變化序列，從零壓力，到高壓，再到低壓，最后恢復為零。3.頻率以赫茲（Hz）為單位測量，描述每秒周期數。例如，1000 Hz 波形每秒有 1000 個周期。頻率越高，音樂音調越高。4.相位以度為單位測量，共 360o，表示周期中的波形位置。零度為起點，隨后 90o 為高壓點，180o 為中間點，270o 為低壓點，360o 為終點。相位也可以弧度為單位。弧度是角的國際單位，符號為rad。注意：由于兩條射線從圓心向圓周射出，形成一個夾角和夾角正對的一段弧。當這段弧長正好等于圓的半徑時，兩條射線的夾角的弧度被定義為1rad。當半徑一定時，圓心角正比于弧長。于是，可以用弧長與半徑的比值表示角度。而弧長與半徑的國際單位都是m，在計算二者之比時要約掉，因此弧度制實質上就是用實數表示角度的單位制，單位rad純粹是為了表述方便人為給出的。因此，在實際求解中符號rad一般直接省略。5.波長以英寸（in）或厘米（cm）等單位測量，是具有相同相位度的兩個點之間的距離。波長隨頻率的增加而減少。^[1]

如何互相作用

編輯在兩個或更多聲波相遇時，它們會彼此相加和減去。如果它們的波峰和波谷完全同相，則互相加強，因此產生的波形的振幅高于任何單個波形的振幅。如果兩個波形的波峰和波谷完全異相，則會相互抵消，導致完全沒有波形。然而，在大多數情況下，各種聲波會存在不同程度的異相，產生比單個波形更復雜的組合波形。例如，表示音樂、語音、噪聲和其他聲音的復雜波形結合了各種聲音的波形。因為其獨特的物理結構，單個樂器可以產生極復雜的聲波。這就是小提琴和小號即使演奏相同音符但聽起來不同的原因。^[1]

同相聲波互相加強

異相聲波互相抵消

兩個簡單的聲波組合成復雜的聲波

衰減

編輯一個聲音在傳播過程中將越來越微弱，這就是聲波的衰減。造成聲波衰減的原因有以下三個：

擴散衰減

物體振動發出的聲波向四周傳播，聲波能量逐漸擴散開來。能量的擴散使得單位面積上所存在的能量減小，聽到的聲音就變得微弱。單位面積上的聲波能量隨著聲源距離的平方而遞減。

吸收衰減

聲波在固體介質中傳播時，由于介質的粘滯性而造成質點之間的內摩擦，從而使一部分聲能轉變為熱能;同時，由于介質的熱傳導，介質的稠密和稀疏部分之間進行熱交換，從而導致聲能的損耗，這就是介質的吸收現象。介質的這種衰減稱為吸收衰減。通常認為，吸收衰減與聲波頻率的一次方、頻率的平方成正比。

散射衰減

當介質中存在顆粒狀結構（如液體中的懸浮粒子、氣泡，固體中的顆粒狀結構、缺陷、攙雜物等）而導致的聲波的衰減稱散射衰減。通常認為當顆粒的尺寸遠小于波長時，散射衰減與頻率的四次方成正比；當顆粒尺寸與波長相近時，散射衰減與頻率的平方成正比。^[2]

應用

編輯

應用原理

次聲波的傳播速度和可聽聲波相同，由于次聲波頻率很低。大氣對其吸收甚小，當

次聲波傳播幾千千米時，其吸收還不到萬分之幾，所以它傳播的距離較遠，能傳到幾千米至十幾萬千米以外。1883年8月，南蘇門答臘島和爪哇島之間的克拉卡托火山爆發，產生的次聲波繞地球三圈，全長十多萬公里，歷時108h．1961年，蘇聯在北極圈內新地島進行核試驗激起的次聲波繞地球轉了5圈。次聲波還具有很強的穿透能力，可以穿透建筑物、掩蔽所、坦克、船只等障礙物．7 000 Hz的聲波用一張紙即可阻擋，而7 Hz的次聲波可以穿透十幾米厚的鋼筋混凝土．地震或核爆炸所產生的次聲波可將岸上的房屋摧毀．次聲如果和周圍物體發生共振，能放出相當大的能量，如4 Hz～8 Hz的次聲能在人的腹腔里產生共振，可使心臟出現強烈共振和肺壁受損。次聲波會干擾人的神經系統正常功能，危害人體健康。一定強度的次聲波，能使人頭暈、惡心、嘔吐、喪失平衡感甚至精神沮喪。有人認為，暈車、暈船就是車、船在運行時伴生的次聲波引起的。住在十幾層高的樓房里的人，遇到大風天氣，往往感到頭暈、惡心，這也是因為大風使高樓搖晃產生次聲波的緣故。更強的次聲波還能使人耳聾、昏迷、精神失常甚至死亡。

聲波之用

從20世紀50年代起，核武器的發展對次聲學的建立起了很大的推動作用，使得對次聲接收、抗干擾方法、定位技術、信號處理和傳播等方面的研究都有了很大的發展，次聲的應用也逐漸受到人們的注意．其實，次聲的應用前景十分廣闊，大致有以下幾個方面：1．研究自然次聲的特性和產生機制，預測自然災害性事件．例如臺風和海浪摩擦產生的次聲波，由于它的傳播速度遠快于臺風移動速度，因此，人們利用一種叫“水母耳”的儀器，監測風暴發出的次聲波，即可在風暴到來之前發出警報．利用類似方法，也可預報火山爆發、雷暴等自然災害．2．通過測定自然或人工產生的次聲在大氣中傳播的特性，可探測某些大規模氣象過程的性質和規律．如沙塵暴、龍卷風及大氣中電磁波的擾動等．3．通過測定人和其他生物的某些器官發出的微弱次聲的特性，可以了解人體或其他生物相應器官的活動情況．例如人們研制出的“次聲波診療儀”可以檢查人體器官工作是否正常．4．次聲在軍事上的應用，利用次聲的強穿透性制造出能穿透坦克、裝甲車的武器，次聲武器——般只傷害人員，不會造成環境污染。詞條圖冊更多圖冊